部分充填法在薄基岩煤层开采中可行性分析

2019-05-07李世辉

山东煤炭科技 2019年4期

李世辉

（淮南矿业集团，安徽淮南 232001）

充填开采方法为现代绿色开采方法中的一种，对矿区减少塌陷具有积极的影响，但由于现代技术装备还无法满足大规模开采的要求，近几年来国内学者提出了部分充填开采方法。淮南矿区薄基岩煤层存在埋藏浅、开采成本低等优点，且煤质也较好，因此淮南矿业集团选取了数十个工作面进行提高开采上限试验。但是薄基岩煤层上方赋存有第四系含水层，在松散含水层作用下，开采上限工作面时常发生压架出水现象，给生产安全造成了隐患。针对此问题，以淮南矿区顾北煤矿薄基岩1332（1）工作面为背景，开展部分充填开采在薄基岩煤层中的适应性研究，以期为薄基岩煤层开采提供技术支持。

1 工程背景

1332(1 )回采工作面地表标高为+21m，工作面标高为-450～ -542.2m。工作面剖面如图1所示。工作面所采煤层为11-2煤层，煤层倾角3～7°，平均5°，结构复杂，煤层最大厚度为4.9m，最小为2.1m，平均3.9m，煤层发育稳定，局部存在变薄区。工作面采用倾斜长壁开采法开采，工作面切眼至前方70m区域为薄基岩区域，即只对工作面充填70m，后随着基岩的变厚，充填终止，采用顶板自然垮落法。

图1 工作面剖面图

2 部分充填开采的数值模拟分析

2.1 模拟方案

选取工作面开采高度3m，开采宽度180m，FLAC3D三维模型进行充填法开采，模型尺寸长、宽、高为340×300×150m，根据模型上部边界的埋深，在模型上部边界施加8MPa载荷进行补偿，以模拟煤层所处的真实环境，其余5面边界均采用位移约束。

（1）工作面每次回采5m，且等到模型计算平衡后再进行充填，以模拟真实的充填环境。

（2）在模拟中，充填率按0.95，充填体强度按煤体的0.1倍考虑。

2.2 模拟结果分析

为了凸显部分充填开采效果，将工作面采用垮落法时的矿山压力显现特征与充填时的矿压显现特征进行对比分析。

（1）塑性区高度对比

工作面推进70m时垮落法开采与部分充填法开采走向覆岩塑性区分布规律如图2所示，表1为垮落法开采与充填法开采覆岩破坏高度的对比。

图2 覆岩塑性区分布图

表1 破坏高度统计表

由图2及表1可知，初始回采20m时，垮落法开采与部分充填开采的破坏高度分别为13.3m及10.5m；当工作面回采30m时，垮落法与充填法覆岩破坏高度分别为17.4m、12.9m。此后随着开采的进行，垮落法开采时的覆岩破坏高度一直增加，当回采至60m时，覆岩破坏高度达到23.8m，此时工作面还处于薄基岩区域，覆岩破坏高度较大，此时与其上方的第四系松散含水层联通的几率增加，易发生出水事故。而采用部分充填开采时，由于工作面将煤层开采出来，后又进行了充填，工作面上方的覆岩没有移动空间，所以覆岩破坏高度较小，此时能够保证工作面的生产安全。

（2）垂直应力对比分析

随着回采的进行，采空区逐渐增大，采空区顶板破断之后，采场围岩应力会重新分布，图3为工作面推进70m时垮落法开采与充填法开采走向覆岩垂直应力分布规律。

由图3可知，当薄基岩煤层采用垮落法开采时，工作面超前支承压力峰值为26.6MPa，而当薄基岩煤层采用部分充填开采方法时工作面超前支承压力峰值为21.7MPa，这是因为工作面采用垮落法管理顶板时，采空区上方顶板回转空间较大，其超前支承压力也较大，而充填法控制顶板时，由于对采空区进行了充填，采空区上方的顶板自由活动空间相对较小，其顶板回转幅度也较小，所以其超前支承压力也较小。由此可以看出垮落法开采采场矿压显现剧烈程度明显高于部分充填开采法。

图3 覆岩垂直应力分布图

当薄基岩煤层开采采用倾斜长壁布置方式时，对开采上限部分采用充填方式管理顶板，覆岩破坏高度能够大幅度的减小，从而降低了导水裂隙带沟通第四系松散含水层的几率，并且矿压显现程度也相对平缓，从而可以避免压架现象的发生。同时，当工作面进入基岩较厚区域时再采用自然垮落法管理顶板，保证整个工作面回采期间的出煤效率。